[发明专利]全时全通型量子网络路由器及扩展量子保密通信网络的方法

说明书

技术领域

本发明涉及量子保密通信网络技术领域，特别是涉及量子密钥分配网络技术。

背景技术

量子密钥分配的概念由Bennett和Brassard在1984年提出，其为密码学中的密钥分配难题提供了完美的解决方案，量子力学的基本原理保证了分配密钥的无条件安全。虽然目前点对点量子密钥分配距离已达200公里，但是从实际应用的角度出发，当多用户之间进行密钥分配时，量子密钥分配技术必然会由点对点发展为量子密钥分配网络，即量子保密通信网络。

现有的量子密钥分配网络包括基于量子中继的量子密钥分配网络、基于量子纠缠的量子密钥分配网络、基于光分束器的量子密钥分配网络、基于光开关的量子密钥分配网络和基于波分复用器的量子密钥分配网络等等。目前，量子中继和量子纠缠的量子密钥分配网络基本处于理论研究阶段，光分束器的量子密钥分配网络的单路性能随着用户数目增加急剧下降，并且扩展性较差，基于光开关的量子密钥分配网络需要主动切换，而且基于光分束器和光开关的量子密钥分配网络均不能实现任意两用户之间的全时全通。“全时全通”意即在任意时刻任意两用户之间都能进行通信，而且骨干网一般要求网络任意两用户一直能通信。对于需要全时全通的骨干量子保密通信网络，本实验小组曾经提出的基于波分复用/解复用器的量子网络路由器是一种非常有应用前景的装置(专利号：ZL03132014.7)。为了增强量子保密通信网络的可扩展性，降低其对光波长的依赖，本发明提出了一种新型的量子网络路由器以及扩展量子保密通信网络的方法。

发明内容

本发明提出了一种新型的全时全通量子网络路由器，目的是以此量子路由器为核心组成量子保密通信的骨干网络。

本发明提出的有效扩展量子保密通信网络方法，是基于量子密钥分配的特点而加入扩展自由度的。在相位编码量子密钥分配系统中，传输方向、偏振和光波长均可作为扩展自由度；在偏振编码量子密钥分配系统中，传输方向和光波长作为扩展自由度。

本发明的全时全通量子网络路由器，由光环行器(CIR)、偏振分束器(PBS)和N波长波分复用/解复用器(WDM)中的一者、二者或者三者组成，共有14种方案，其中单独由N波长复用/解复用器构成量子网络路由器的方案与本实验小组专利号为ZL03132014.7的专利重复，在本发明中不予考虑。(1)当没有光波长自由度作为组网方案时，若单独以光环行器组成全时全通量子网络路由器，有1种方案，最高可容纳3用户；若以光环行器和偏振分束器组成全时全通量子网络路由器，有2种方案，最高可容纳5用户。(2)光波长自由度作为组网方案时，若以光环形器和N波长波分复用器组成全时全通量子网络路由器，有2种方案，最高可容纳2N+1用户；若以偏振分束器和N波长波分复用器组成全时全通量子网络路由器，有2种方案，最高可容纳2N用户；若以光环行器、偏振分束器和N波长波分复用器组成全时全通量子网络路由器，有6种方案，最高可容纳4N+1用户。

所述的光环行器可以是商用光纤环行器，或是由分立光学元件组成的光环行器。参见图1，光环行器有3个光接口1-1、1-2和1-3，如箭头所示，光在环行器内部只能沿一个方向行进，从接口1-1进入的光，只能从接口1-2出射，从接口1-2入射的光，只能从接口1-3出射，从接口1-3进入的光无出射。通过光环行器可获得入和出这2个自由度。该光环行器为偏振无关器件。

所述的偏振分束器可以是光纤偏振分束器，或是分立光学元件组成的偏振分束器。入射的光是线偏振光或者是圆偏振光。在本发明的描述中，以线偏振光为例，经偏振分束器后均分成水平偏振和竖直偏振，由此可获得2个自由度。

所述的N波长波分复用/解复用器可以是商用光纤N波长波分复用器或者N波长波分解复用器，也可以是由分立光学元件组成的N波长波分复用器。N个波长的光从波分复用器的N个输入端输入，被复用到一个输出端输出。N个波长的光从波分解复用器的一个输入端输入，被解复用到N个与波长对应的输出端。商用光纤波分复用器和波分解复用器均是可逆光学器件，因此二者可以作为同一种器件。在本发明中均以N波长波分复用/解复用器称呼。